Goniomètre
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Un goniomètre est un appareil servant à mesurer les angles.

En optique

Il comporte une partie fixe, sur laquelle est montée une partie mobile. On peut avoir deux configurations :

  • la partie fixe est liée au référentiel du laboratoire (au sol), la partie mobile pointant dans la direction dont on veut déterminer l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) avec l'axe de référence ;
  • la partie fixe est liée au référentiel de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) observé (par exemple il est placé dans un véhicule), la partie mobile pointe vers la direction de référence (en général le Nord).

Le goniomètre (Un goniomètre est un appareil servant à mesurer les angles.) comporte en général une règle graduée en degrés, le rapporteur (Un rapporteur (ou rapporteur d'angle) est un outil utilisé en géométrie pour mesurer des angles et pour construire des figures. Les rapporteurs utilisés par les élèves sont la plupart du...), et éventuellement un vernier pour améliorer la précision.

En optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), le goniomètre est utilisé pour déterminer la déviation d'un rayon lumineux par un dispositif optique (par exemple un prisme ; la partie mobile comporte alors une lunette de visée.

goniomètre d'optique muni d'un vernier

Utilisation en difractométrie X

En radiocristallographie, le goniomètre est la partie du diffractomètre (Le diffractomètre est un appareil permettant de mesurer la diffraction d'une onde sur une cible. Le terme est utilisé exclusivement pour la diffractométrie de rayons X.) qui sert à déterminer les angles. Les mouvements sont motorisés.

Dans la majeure partie des cas, les angles sont déterminés par les ordre donnés aux moteurs (moteurs pas à pas) : lors de l'initialisation, l'appareil établit son zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des...) (par rapport à un point (Graphie) de référence, par exemple une encoche sur le goniomètre) ; l'angle correspondant au zéro du moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) est déterminé par une procédure d'alignement.

Dans le cas d'une mesure à haute résolution, il devient très long de stabiliser la position exacte des moteurs (la boucle de rétroaction génère des oscillations qui se réduisent au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située...) et à mesure). Dans ce cas, il est plus intéressant (gain de temps) de laisser le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...) se placer approximativement, puis de mesurer l'angle (mesure automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes...), par exemple à l'aide d'un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension...) optique).

Goniomètre à deux cercles

Dans le cas le plus général, on a un goniomètre à deux cercles, c'est-à-dire que l'on détermine

  • l'angle d'incidence du faisceau de rayons X sur l'objet, angle appelé Ω dans le cas général, et θ en configuration Bragg-Brentano ;
  • l'angle entre le faisceau incident et le faisceau détecté, appelé 2θ.

Le terme de " cercle " désigne en fait une motorisation permettant un mouvement circulaire, le terme plus exact serait " montage à deux moteurs ".

Dans ce montage Bragg-Brentano, l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) a une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) fixe par rapport au vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur,...) de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet....) (bissectrice entre le faisceau incident et le faisceau détecté). On adjoint parfois un dispositif permettant de faire tourner l'échantillon autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de son axe, appelé spinner, mais ce dispositif n'est pas considéré comme un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle....) supplémentaire mais comme une manière de balayer complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité d'informations...) un échantillon supposé homogène (le faisceau a la forme d'un trait et n'éclaire qu'une portion réduite de l'échantillon)..

On distingue deux configurations (on suppose ici une mesure en configuration Bragg-Brentano) :

  • la configuration θ-2θ (" thêta-deux thêta ") : le tube à rayons X (Les tubes à rayons X sont des dispositifs permettant de produire des rayons X, en général pour trois types d'applications :) est fixe, l'échantillon bouge d'un angle θ et le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) de rayons X d'un angle 2θ ; c'est la configuration la plus courante, en effet, le tube étant le dispositif le plus lourd et le plus encombrant, il est plus simple de le fixer ;
  • la configuration θ-θ (" thêta-thêta ") : l'échantillon reste fixe (horizontal), le tube et le détecteur bougent de manière symétrique d'un angle θ ; ceci permet de mesurer des poudres à des angles élevés (l'échantillon reste fixe), et facilite la mise en place de certains dispositifs comme un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets....) autour de l'échantillon.

Goniomètre à trois et quatre cercles

Dans certains cas, on s'intéresse à l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) de l'échantillon ; c'est par exemple le cas de la texture (orientation cristalline préférentielle), de la mesure des contraintes, ou de la détermination de la structure cristalline à partir d'un monocristal. Le faisceau incident a ici une forme ponctuelle, il éclaire un petit disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet —...) sur l'échantillon.

Dans ce cas, il faut pouvoir orienter l'échantillon dans toutes les directions de l'espace, ce qui suppose trois axes de rotation, auquel s'ajoute la position du détecteur ; on a donc quatre moteurs, le dispositif est dit à " quatre cercles ".

Dans le cas d'un échantillon polycristallin, le dispositif s'appelle un " berceau d'Euler " (Euler craddle), par comparaison aux angles d'Euler. Ce berceau d'Euler peut être centré ou excentré, il peut être ouvert ou fermé ; les berceaux ouverts et excentrés peuvent accueillir des échantillons plus volumineux, mais ils sont plus compliqués à réaliser.

L'échantillon est mis en place sur une platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) motorisée ; celle-ci peut bouger selon les trois axes (x,y,z) pour permettre de positionner le centre de l'échantillon au point de référence. Dans tous les cas, le tube est fixe, et dans la position de référence, le plan de l'échantillon est vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) (le détecteur se déplace selon un cercle horizontal).

Dans le cas d'un échantillon monocristallin, celui-ci est collé sur une " tête d'épingle " orientable.

Photographie de goniomètre

Dans la photographie ci-contre, le goniomètre est le matériel en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) à droite: il sert à manipuler par rotation (très précise) ; un microcristal pur d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) dont on veut connaître la structure dans le faisceau de rayon X (Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de quelques eV...) monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par...) (tube effilé du haut) est placé au bout de l'aiguille au centre. Une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) CCD spéciale rayons X (à gauche avec des lettres rouges) recueille numériquement la position et l'intensité des taches de diffractions.

Puisque la position des taches de diffraction est repérée par la caméra, celle-ci n'est pas orientable ; on a donc un goniomètre à trois cercles. Une caméra vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un...) (tube noir en haut à gauche) aide pour un premier positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible,...) et centrage du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot....) dans le faisceau de rayons X.

Ces mesures traitées par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous...) permettent par transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour les fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre...) de reconstituer l'image du cristal et surtout de la molécule de base qui le compose.

Remarque : on a utilisé cet instrument pour illustrer les modèles sciences, physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) car les rayons X ont eu un rôle déterminant dans l'évolution des sciences.

Photographie de goniomètre
voir une image agrandie

En radio

Un goniomètre, ou plus exactement un radiogoniomètre, est un équipement destiné à mesurer l'angle d'arrivée d’une onde radio (Les ondes radioélectriques (dites ondes radio) sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence d'onde est par convention[1] comprise entre 9 kHz et 3000 GHz, ce qui correspond à des...).

Historiquement les goniomètres ont beaucoup été utilisés comme un équipement d'aide à la navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :), tant pour les avions que pour les navires. L'avènement du GPS semble faire disparaître cette utilisation. Par exemple :

  • Dans le domaine de la VHF et de l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.), le goniomètre est aussi appelé VDF (VHF Direction Finder )
  • Installé à bord d'un aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs :...), lorsqu'il est utilisé pour déterminer la direction d'émission d'une balise fixe dans la gamme HF (Hautes Fréquences), il est appelé ADF (Automatic Direction Finder)

Les radiogoniomètres restent encore principalement utilisés par :

  • les forces armées dans le but, soit de prévenir de la présence d'un émetteur radio (Un émetteur radio est un appareil électronique destiné à émettre certaines ondes radioélectriques modulées, permettant ainsi de transmettre des données (sons, images ou autres) par les airs à des récepteurs radio.) ennemi (alerte), soit de localiser les émetteurs adverses afin d’obtenir des renseignements sur les forces en présence ;
  • des agences gouvernementales de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du spectre, agences chargées de contrôler que les utilisateurs de fréquences radio sont bien détenteurs d’une licence (comme les fameuses licences UMTS qui ont tant fait parler d’elles) ;
  • certains radio-amateurs …

Les radiogoniomètres utilisent différents principes physiques.

  • La directivité de l'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) de réception.
  • L'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.)
  • L'effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par...)
  • ...
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